Nitrogênio ou Azoto

Acidente de caminhão transportando Nitrogênio

• O azoto, nitrogênio é um elemento químico com símbolo N, número atômico 7 e número de massa 14 (7 prótons e 7 nêutrons), representado no grupo (ou família) 15 (antigo VA) da tabela periódica.

É o quinto elemento mais abundante no Universo . Nas condições ambientes (25 °C e 1 atm) é encontrado no estado gasoso, obrigatoriamente em sua forma molecular biatômica (N2), formando cerca de 78% do volume do ar atmosférico .A mais importante aplicação comercial do nitrogênio é na obtenção do gás amoníaco pelo processo Haber.

• Considera-se que foi descoberto formalmente por Daniel Rutherford em 1772 ao determinar algumas de suas propriedades. Entretanto, pela mesma época, também se dedicou ao seu estudo Scheele que o isolou.

História:

• O nitrogênio (do latim nitrogenium e este do grego νίτρον = nitro, e -genio, da raiz grega γεν = gerar) considera-se que foi descoberto formalmente por Daniel Rutherford em 1772 ao determinar algumas de suas propriedades. Entretanto, pela mesma época, também se dedicaram ao seu estudo Scheele que o isolou, Cavendish, e Priestley. O nitrogênio é um gás tão inerte que Lavoisier se referia a ele como azoe, que é uma palavra francesa que significa "impróprio para manter a vida". Alguns anos depois, em 1790, foi chamado de nitrogênio, por Jean Antoine Chaptal, que significa “formador de salitre”.

Foi classificado entre os gases permanentes desde que Faraday não conseguiu torná-lo líquido a 50 atm e -110 °C. Mais tarde, em 1877, Pictet e Cailletet conseguiram liquefazê-lo.

• Alguns compostos de nitrogênio já eram conhecidos na Idade Média: os alquimistas chamavam de aqua fortis o ácido nítrico e aqua regia a mistura de ácido nítrico e clorídrico, conhecida pela sua capacidade de dissolver o ouro.

Daniel Rutherford

Características principais:

• Ocorre como um gás inerte (N2), não-metal, incolor, inodoro e insípido, constituindo cerca de 4/5 da composição do ar atmosférico, não participando da combustão e nem da respiração. Como elemento (N) tem uma elevada eletronegatividade (3 na escala de Pauling) e 5 elétrons no nível mais externo (camada de valência), comportando-se como ião trivalente na maioria dos compostos que forma. Condensa a aproximadamente 77 K (-196 °C) e solidifica a aproximadamente 63 K (-210 °C).

O nitrogênio é o principal componente da atmosfera terrestre. Este elemento chega ao solo através de compostos orgânicos (restos vegetais e animais) e/ou inorgânicos. Sua fixação pode ser biológica(simbiótica ou não) ou por descargas elétricas. No solo o N se encontra na forma orgânica ou inorgânica, podendo se mudar de forma (ou vice-versa) pelo fenômeno da mineralização ou imobilização.

• O nitrogênio é um elemento químico do grupo 15 (não-metais) que pertence ao segundo período da tabela periódica.

Linhas espectrais do azoto.

• O nitrogênio possui cinco elétrons na camada de valência. O elemento exibe uma grande variedade de estados de oxidação: (-III) na amônia, NH3; (-II) na hidrazina, N2H4; (-I) na hidroxilamina, NH2OH; (0) no nitrogênio, N2; (+I) no óxido nitroso, HNO2; (+IV) no dióxido de nitrogênio, NO2; e (+V) no ácido nítrico, HNO3. O estado de oxidação negativo decorre do fato da eletronegatividade do hidrogênio (2,1) ser menor que a do nitrogênio (3,0).

O gás nitrogênio é utilizado em grandes quantidades como atmosfera inerte. Isso ocorre principalmente na indústria do ferro e do aço, em outras indústrias metalúrgicas, nas refinarias de petróleo, na limpeza das tubulações e dos reatores de craqueamento catalítico e reforma. O nitrogênio é usado também como agente refrigerante. Grandes quantidades de N2 são consumidas na fabricação de amônia e de cianamida de cálcio. O N2 é obtido em escala industrial, liquefazendo-se o ar e então realizando-se a destilação fracionada do mesmo. O N2 tem ponto de ebulição menor que o O2, saindo da coluna de destilação antes do O2. Seis gases industriais são obtidos dessa maneira: N2, O2, Ne, Ar, Kr e Xe.

• O nitrogênio é um constituinte essencial de proteínas e aminoácidos (a composição média de uma proteína é C=50%, O=25%, N=17%, H=7%, S=0,5%, P=0,5%, em peso). Nitrato e outros compostos de nitrogênio são muito utilizados como fertilizantes e em explosivos. No início deste século, o NaNO3 foi muito importante como fertilizante. O guano de morcego (fezes do mamífero) também foi muito utilizado. Nos últimos 50 anos, essas fontes naturais foram substituídas por NH3 e NH4NO3, produzidos nas gigantescas indústrias de amônia e nitratos sintéticos.

Propriedades gerais e estrutura do elemento:

O nitrogênio é um gás incolor, inodoro, insípido e diamagnético, sendo encontrado na forma de moléculas diatômicas, N2. A molécula de N2 contém uma ligação tripla N≡N curta, com comprimento de 1,9. Portanto, o N2 é estável à temperatura ambiente, embora reaja com o lítio formando o nitreto, Li3N. O nitrogênio pode ser ativado passando-se uma faísca elétrica através de N2 gasoso, a baixas pressões. Nessa condição forma-se nitrogênio atômico, estando o processo associado a um brilho amarelo róseo. O nitrogênio atômico reage com diversos elementos e muitas moléculas normalmente estáveis.

O ciclo do nitrogênio:

• Há uma troca contínua de nitrogênio entre a atmosfera, o solo, os oceanos e os organismos vivos, cuja quantidade é estimada em 108 a 109 t/ano. Esse processo é denominado ciclo do nitrogênio. Considere o nitrogênio combinado existente no solo: ele está presente na forma de nitratos, nitritos e compostos de amônio.
• As plantas absorvem esses compostos e os utilizam para formar o protoplasma para crescer. As plantas podem servir de alimento a outros animais. Os animais excretam compostos nitrogenados, geralmente ureia ou ácido úrico, que são desenvolvidos no solo. A morte e decomposição fazem com que, eventualmente, todo o nitrogênio retorne ao solo.
• Um grupo de bactérias desnitrificantes, denominadas Denitrificans, convertem nitratos nos gases N2 ou NH3, que escapam para a atmosfera (por causa disso os estábulos exalam odor de amônia). O NH3 é devolvido ao solo pela primeira chuva, mas não o N2. Dentre as bactérias desnitrificantes podem ser citadas as Pseudomonas e Achromobacter.

Nitratos → nitritos → NO2 → N2 → NH3

Molécula de Nitrogênio (Gasoso)

Aplicações:

• A mais importante aplicação comercial do nitrogênio é na obtenção do gás amoníaco pelo processo Haber. O amoníaco é usado, posteriormente, para a fabricação de fertilizantes e ácido nítrico. 

É usado, devido a sua baixa reatividade, como atmosfera inertizada em tanques de armazenamento de óleos vegetais e animais. Também é usado em tanques de líquidos explosivos, durante a fabricação de componentes eletrônicos (transistores, diodos, circuitos integrados, etc.) e na fabricação do aço inoxidável. 

• O nitrogênio líquido, obtido pela destilação do ar líquido, se usa em criogenia, já que na pressão atmosférica condensa a -196 °C. 

É usado como fator refrigerante, para o congelamento e transporte de alimentos, conservação de corpos e células reprodutivas sexuais, masculinas e femininas ou quaisquer outras amostras biológicas. 

• Entre os sais do ácido nítrico estão incluídos importantes compostos como o nitrato de potássio (nitro ou salitre empregado na fabricação de pólvora) e o nitrato de amônio como fertilizante.
• Os compostos orgânicos de nitrogênio como a nitroglicerina e o Trinitrotolueno (TNT) são muito explosivos. A hidrazina e seus derivados são usados como combustível em foguetes.
• Na medicina nuclear, o 13N (lê-se nitrogênio 13), radioativo com emissão de pósitron, é usado no exame PET.
• Na indústria automobilística é utilizado para inflar pneus de alto desempenho.

O nitrogênio como adubo:

• O nitrogênio é o elemento que as plantas necessitam em maior quantidade. É um macronutriente primário ou nobre. No entanto, devido à multiplicidade de reações químicas e biológicas, à dependência das condições ambientais e ao seu efeito no rendimento das culturas, o nitrogênio é também o elemento que apresenta maiores dificuldades de manejo na produção agrícola mesmo em propriedades tecnicamente orientadas. As formas preferenciais de absorção de Nitrogênio pelas plantas são a amônia (NH4+) e o nitrato (NO3-). Compostos nitrogenados simples, como ureia e alguns aminoácidos, também podem ser absorvidos, mas são poucos encontrados na forma livre no solo.

Mas, apesar de ser o nutriente mais abundante da atmosfera terrestre, o N não figura como constituinte de qualquer rocha terrestre. Talvez, seja por este motivo ele é o elemento mais caro dos fertilizantes, pois, para sua formação são necessárias diversas reações químicas, as quais necessitam de muita energia. Tal afirmação e justificada pelo fato da difícil síntese e alto custo energético da formação do NH3.

• As formas em que o N se apresenta nos adubo nitrogenados são: Nítricas (Ex. Nitrato de Cálcio), amoniacal (Ou ambas como e o caso do Nitrato de Amônia), orgânica e amídica (Ureia). A concentração de N nos adubos podem variar desde 82% na amônia anidra até alguns décimo de 1% nos adubos orgânicos.

Abundância e obtenção:

• O nitrogênio é o componente principal da atmosfera terrestre (78,1% em volume). É obtido, para usos industriais, pela destilação do ar líquido ou pelo enriquecimento através de filtros moleculares. O elemento está presente na composição de substâncias excretadas pelos animais, usualmente na forma de ureia e ácido úrico.

Tem-se observado compostos que contém nitrogênio no espaço exterior. O isótopo 14N se cria nos processos de fusão nuclear das estrelas.

Esterco de aves. Indicado para a recuperação de solo e pastagens, também no cultivo de diversas culturas como substituto do adubo químico.

Compostos:

• Com o hidrogênio forma o amoníaco ( NH3 ) e a hidrazina ( N2H4 ). O amoníaco líquido — anfótero como a água — atua como uma base em solução aquosa formando íons amônio ( NH4+ ). O mesmo amoníaco comporta-se como um ácido em ausência de água, cedendo um próton a uma base, dando lugar ao ânion amida (NH2-). Também se conhece largas cadeias e compostos cíclicos de nitrogênio, porém, são muito instáveis.

Com o oxigênio forma vários óxidos como o óxido nitroso ( N2O) ou gás hilariante, o óxido nítrico (NO) e o dióxido de nitrogênio ( NO2 ), estes dois últimos são representados genericamente por NOx e são produtos de processos de combustão, contribuindo para o aparecimento de contaminantes (smog fotoquímico). Outros óxidos são o trióxido de dinitrogênio ( N2O3 ) e o pentóxido de dinitrogênio (N2O5), ambos muito instáveis e explosivos, cujos respectivos ácidos são o ácido nitroso (HNO2) e o ácido nítrico (HNO3) que, por sua vez, formam os sais nitritos e nitratos.

Sistema de oxido nitroso (Combustível)

Ações biológicas:

O azoto é o componente essencial dos aminoácidos e dos ácidos nucleicos, vitais para os seres vivos. As leguminosas são capazes de desenvolver simbiose com certas bactérias do solo chamadas de rizóbios, estas bactérias absorvem o azoto diretamente do ar, sendo este transformado em amoníaco que logo é absorvido pela planta. Na planta o amoníaco é reduzido a nitrito pela enzima nitrito redutase e logo em seguida é reduzido a nitrato pela enzima nitrato redutase. O nitrato é posteriormente utilizado pela planta para formar o grupo amino dos aminoácidos das proteínas que, finalmente, se incorporam à cadeia trófica. Um bom exemplo deste processo é observado na soja, sendo esta uma cultura que dispensa adubação nitrogenada.

Trata-se da conversão (por meio de bactérias, denominadas rizóbios) do nitrogênio presente na atmosfera em formas que possam ser utilizadas pelas plantas.

Isótopos:

• Há dois isótopos estáveis do azoto: 14N e 15N. O mais comum é o 14N, com uma abundância relativa de 99,634%, sendo o restante preenchido pelo 15N. No universo, o 14N é produzida pelo ciclo carbono-azoto das estrelas.

Dos dez isótopos artificiais do nitrogênio (sintetizados em laboratório), o 13N tem uma vida média de nove minutos enquanto que os demais isótopos, da ordem de segundos ou menos.

As reações biológicas de nitrificação e desnitrificação contribuem, de maneira determinante, na dinâmica do azoto no solo, quase sempre produzindo um enriquecimento em 15N do substrato.

Precauções:

Os fertilizantes azotados são uma poderosa fonte de contaminação do solo e das águas. Os compostos que contêm iões cianeto formam sais extremadamente tóxicos e são mortais para numerosos animais, entre os quais os mamíferos.

Efeitos do aquecimento global e Causas: 

Na última metade do século 20, a utilização de fertilizantes químicos
(por oposição ao uso histórico de adubos orgânicos)

EESC desenvolve reator único que remove nitrogênio e reduz carbono de esgotos:

• Um único reator que transforma o nitrogênio presente no esgoto em gás e que, ao mesmo tempo, reduz a quantidade de matéria orgânica acaba de ser desenvolvido na Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) da USP. O sistema, concebido pelo engenheiro ambiental Rafael Brito de Moura, é uma continuidade de outros estudos realizados por pesquisadores do Laboratório de Processos Biológicos, localizado na Área 2 da USP de São Carlos (local onde ele trabalha). O equipamento remove o nitrogênio e reduz a quantidade de carbono de forma mais simples e com menor custo.

O sistema é descrito na dissertação de mestrado Desempenho de um reator vertical de fluxo contínuo e leito estruturado com recirculação do efluente, submetido à aeração intermitente, na remoção de carbono e nitrogênio de um efluente sintético, defendida na EESC e orientada pelo professor Eugenio Foresti.

• O estudo feito em laboratório utilizou esgoto sintético — produzido pelo próprio pesquisador — simulando o efluente sanitário e um reator com o formato de um cilindro com diâmetro interno de 14,5 centímetros (cm) e 80 cm de altura. “Dentro do reator há também outros 13 cilindros ou bastões recobertos por espuma de poliuretano, com 3 cm de diâmetro e 60 cm de altura. Esses cilindros servem como material suporte para o desenvolvimento dos microrganismos responsáveis pelo processo”, descreve o engenheiro.

Segundo ele, as bactérias nitrificantes (que transformam o nitrogênio na forma de amônia em nitratos) se desenvolvem fixas à espuma de poliuretano, principalmente na região externa de cada cilindro, enquanto as desnitrificantes (transformam nitratos em gás nitrogênio) se desenvolvem principalmente na área interna da espuma de poliuretano que recobre cada bastão. Isso ocorre pois esses dois grupos de microrganismos apresentam características distintas, sendo que as nitrificantes necessitam de oxigênio para seu desenvolvimento e as desnitrificantes precisam de um ambiente sem oxigênio.“Normalmente quando se quer remover nitrôgenio são utilizados dois ou mais reatores porque os microorganismos se desenvolvem em ambientes completamente dist s. A ideia era transformar em apenas um reator para reduzir custos tanto na operação quanto na construção do sistema”, relata Moura.

• O aparato recebe ainda oxigenação intermitente, ou seja, durante duas horas para auxiliar na primeira fase de reações em que a presença do oxigênio é necessária. Depois, por uma hora, o reator não é mais oxigenado e acontece a segunda fase do processo. “O uso do poliuretano é essencial porque possibilita a criação de um gradiente de concentração de oxigênio dissolvido, fazendo que na parte interna da espuma não haja oxigênio, possibilitando o desenvolvimento das bactérias desnitrificantes.

Tratamento:

• De acordo com o pesquisador, o esgoto é colocado no reator e as bactérias nitrificantes atuam oxidando as moléculas de nitrogênio presentes nos detritos e as transformando em nitratos, uma molécula composta por um átomo de nitrogênio e três de oxigênio. Nesta primeira fase, ocorre a oxidação do nitrogênio, necessitando duas horas de aeração no reator. Depois desliga-se a aeração por uma hora para potencializar a atuação das bactérias desnitrificantes, em que o oxigênio é dispensável. Estas bactérias transformam o nitrato em nitrogênio gasoso, que pode ser liberado para a atmosfera. Nesta segunda fase ocorre, também, a redução da quantidade de carbono do esgoto, pois para que seja realizada, há a necessidade de obtenção de energia e esta vem a partir da liberação de elétrons dos carbonos presentes nas matérias orgânicas do esgoto, como restos de comida, folhas e animais mortos.

Atualmente, Moura trabalha em seu projeto de doutorado na aplicação desse reator no tratamento de esgoto sanitário real. “Com a aplicação desse sistema no esgoto doméstico real, será possível obter parâmetros operacionais e construtivos mais específicos, possibilitando a aplicação desta tecnologia em maiores escalas e possivelmente transformá-lo em uma nova tecnologia para o tratamento de esgoto.”

Saúde:

• “A remoção de nitrogênio e a diminuição de carbono do esgoto é excelente porque tanto um como outro geram problemas ambientais e de saúde pública”, lembra o pesquisador. Ele explica que retirar nitrogênio do esgoto e levá-lo para a atmosfera na forma gasosa não polui, uma vez que este gás já se encontra em abundância no ar. Já quanto a redução de carbono é importante porque diminui o mau cheiro promovido pela matéria orgânica em decomposição, facilita o tratamento da água para abastecimento humano e faz com que a água seja menos tóxica para os peixes.

Os problemas que ele relata são, por exemplo, a eutrofização da água, fenômeno que eleva o crescimento do número de algas em rios, lagos e lagoas. Este aumento populacional traz como consequência a diminuição da concentração gás oxigênio dissolvido na água e com isso, os peixes não conseguem respirar e morrem. Já quanto a saúde pública, ele relata que “a diminuição de nitritos e nitratos nos corpos d’água pode reduzir casos de câncer de estômago ou doenças relacionadas a este órgão”.

Obs: o nitrogênio desta foto está no estado líquido, porém não é este o que é usado na agricultura.